2023级硕士生余傲雪等的论文在Journal of Hazardous Materials刊出

第一作者：余傲雪（2023级硕士生）、彭其力（2024届硕士生）等

通讯作者：汤琳 教授、余江芳 助理教授

论文DOI：10.1016/j.jhazmat.2025.138848

图文摘要

成果简介

近日，湖南大学环境科学与工程学院汤琳教授课题组在Journal of Hazardous Materials上发表了题为“Enhancement of Bacillus subtilis inactivated Microcystis aeruginosa by shaped biochar: Performance and mechanism study”的研究论文（10.1016/j.jhazmat.2025.138848）。本研究构架了碳基功能性材料系统（颗粒活性炭和成型生物炭），以增强功能性微生物对铜绿微囊藻（Microcystis aeruginosa）的溶解能力，并对优选出的成型生物炭-芽孢杆菌系统的藻类溶解机制进行了深入探究。该成果为控制有害藻华提供了一种环保且经济高效的方法。

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本工作重点探究了芽孢杆菌菌剂、溶藻酶试剂对铜绿微囊藻（Microcystis aeruginosa）的单一/复合处理效果，并以KHSO₅氧化试剂构建化学高级氧化体系作为技术对比，最终对优选出的成型生物炭-芽孢杆菌系统的藻类溶解机制进行了机理探究。

引言

寻求经济有效的方法应对有害藻华（Harmful algal blooms，HABs）污染问题是全球关注的重难点。在众多除藻技术中，基于微生物的方法因其对环境友好、过程温和、操作简单等优点被视为极具实际应用潜力的除藻技术，但亦存在去除效率低、周期长等局限。在功能微生物开发领域，环境功能材料（如黏土矿物、碳材料）被证明具有强化功能微生物活性的潜能，但有关增强微生物去除蓝藻的研究鲜有报道。生物炭是环境友好、成本合适、稳定、生物相容性好且多孔疏松的材料，是一种潜在的生物增强材料。因此，本研究构建了一种简单高效的碳基功能材料强化功能试剂体系。

图文导读

溶藻体系优选及表征

Fig. 1. Removal rate of M. Aeruginosa at day 3 for each method.

Fig. 2. SEM of GAC2 (a), SBC2 (b) and algal cell (c). Nitrogen adsorption and desorption curves (d), the distribution of mesoporous (e), and XPS spectra: C 1s and O 1s of GAC2 (f, g) and SBC2 (h, i).

复合体系的除藻效能显著优于单一体系，而且整体除藻规律与单一体系类似, 单一体系具体的效能（3d）排序为： SBC2-BA (36.4%) ＞ BA (26%) ＞ SBC2 (25.0%) ＞ GAC2 (21.1%) ＞ KA (17.9%) ＞ EA (14.2%)。表征表示，SBC2更高的O与N含量赋予其更优的生物相容性，其均匀的大孔结构也利于对藻细胞的吸附。同时，碳材料与微生物之间存在明显的协同互促关系。

影响因素探究

Fig. 3. The removal efficiency by different systems (a), pH value of SBC2-BA system (b; insert: actual diagram of algae inactivation over time), the removal efficiency of SBC-BA by particle sizes of SBC (c), initial algal concentrations and hydraulic disturbances (d).

为了确定最佳的操作条件，从投加剂量、生物炭粒度、水力扰动、初始藻浓度四个方面研究了它们对SBC2-BA溶藻效率的影响。选出最佳操作条件为投加2.5 g/L生物炭和 0.1 g/L菌剂；控制生物炭粒度为20-50目。在最佳操作条件下，可在8天内去除92%以上的叶绿素a，整个反应过程中体系pH几乎不发生变化。

溶藻机理探究

Fig. 4. SEM of M. Aeruginosa cell morphology before (a, b) and after 6-day reaction (c, d), changes of SOD (e) and CAT (f) activities during the reaction, and efficiency of different treatment part of BA (supernatant, ultrasonic crushing, cell resuspension) (g). The asterisk indicates statistical significance through the Two-sample t-test (*p < 0.05, **p < 0.01; ***p < 0.001) difference. Lowercase letters and uppercase letters above the error line represent significant differences between treatments analyzed by One-way ANOVA and Waller-Duncan tests (p < 0.05).

SEM图像显示，在SBC2-BA反应6天之后，大部分藻细胞的完整形态遭到破坏，有的藻细胞膜发生了严重的纤维化并开始塌陷，并且可以在周围观察到大量的藻细胞碎片和芽孢杆菌。同时，藻液体系中超氧化物歧化酶（SOD）与过氧化氢酶（CAT）活性的变化说明藻类细胞发生氧化应激然后逐渐恢复。使用菌-液分离及超声破碎的方法分别研究了芽孢杆菌细胞与其胞外分泌物质的溶藻效果，上清液（92%）的去除率优于细胞悬液（78%），表明间接藻类裂解是主要贡献因素。

Fig. 5. Removal efficiency of SBC2-BA with/without immobilization (a), Zeta potential of the SBC2-BA system (b), CV results (c), 3D fluorescence spectrum of Bacillus alone (d) and SBC2-BA system (e), and reuse performance of SBC2 (f).

通过三维荧光光谱分析了SBC2-BA处理过程中溶液中物质的变化。发现大量由色氨酸蛋白组成的细胞外分泌物（EOM）逐渐恢复反应前水平，该现象可能归因于SBC2的协同作用，其不仅能维持系统稳定性，还能促进释放的细胞内和细胞外物质的进一步降解。反应后的XPS, FT-IR和BET分析也进一步表明了生物炭通过其孔隙结构和化学官能团协同作用对藻细胞及其分泌物进行吸附。而Zeta电位分析，CV测试和LSV测试表明，生物炭可以协同增强芽孢杆菌和藻类细胞的电子转移效应，增强絮凝作用，同时增强了氧化还原反应，从而提高藻类细胞的灭活效率。

Fig. 6. Mechanism of biochar-enhanced algal solubilization by Bacillus.

小结与展望

本研究将颗粒活性炭与成型生物炭与藻类去除菌剂相结合，SBC2-BA系统展现出高效率和环境友好性。为了评估SBC2-BA的长期稳定性和有效性，有必要进一步监测和分析微生物介导的细胞内/细胞外毒素（例如微囊藻毒素）的释放机制。这种评估应通过在真实湖泊水域的试点测试来进行。同时，材料应用过程的设计可以进一步优化，以提高其在实际湖泊水体中的有效性和经济效率。这些努力将为湖泊生态修复提供更科学、更有效的技术支撑。